Vodikova linija se na splošno nanaša na radiofrekvenčne emisije hladnega vodikovega plina v medzvezdnem prostoru. V naši galaksiji in v drugih galaksijah plavajo ogromne količine vodika. Del tega plina segrejejo bližnje zvezde, kar povzroči, da oddaja elektromagnetno sevanje v vidnem spektru – z drugimi besedami, svetlobo. Velik del pa je daleč od kakršnega koli vira toplote, vendar ga je kljub temu mogoče zaznati zaradi dejstva, da oddaja elektromagnetno sevanje na valovni dolžini 8.3 palca (21.1 centimetra), znotraj radijskega dela spektra. To je znano kot 21-centimetrska črta ali vodikova črta, njen obstoj pa je napovedal nizozemski astronom Hendrik van de Hulst leta 1944.
V skladu s kvantno teorijo imajo lahko elektroni v atomu le določene fiksne energetske ravni, brez ničesar vmes. Najnižja energijska raven je znana kot “osnovno stanje”. Elektroni lahko absorbirajo energijo in povzročijo, da “skočijo” na višjo energijsko raven, vendar bodo prej ali slej padli nazaj na nižjo raven in sčasoma v osnovno stanje, pri čemer je čas obratno sorazmeren s količino presežne energije. . Ko elektron pade navzdol, se dodatna energija sprosti kot elektromagnetno sevanje s frekvenco, ki ustreza energijski razliki med obema nivojema.
Frekvenca elektromagnetnega sevanja je sorazmerna z njegovo energijo: večja kot je energija, višja je frekvenca. To razmerje opisuje Planckova enačba: E = hf, kjer je E energija, f frekvenca in h Planckova konstanta, ki ima vrednost približno 6.626 * 10-34 joule-sekund. Valovno dolžino lahko izračunamo kot preprosto hitrost svetlobe, deljeno s frekvenco. Tako bo, ko elektron pade z višje na nižjo energijsko raven, se oddaja elektromagnetno sevanje z določeno, fiksno frekvenco in valovno dolžino, povezano z razliko v energiji. To sevanje se kaže kot ozke črte na emisijskem spektru.
Vsak element ima značilen, edinstven emisijski spekter, sestavljen iz serije črt na določenih valovnih dolžinah. Spektralna serija vodika vsebuje številne spektralne črte, od katerih so štiri znotraj vidnega dela spektra. Ena od teh, rdeča črta, znana kot H-alfa, se v astronomiji pogosto uporablja za odkrivanje ioniziranega vodika v meglicah. Vsako od teh emisijskih linij za vodik je mogoče obravnavati kot vodikovo linijo, vendar se izraz običajno nanaša na radijsko emisijo, ki jo proizvaja hladen vodikov plin na valovni dolžini.
21 centimetrov. To je posledica drugačnega fizičnega procesa. Vendar še vedno veljajo ista pravila glede energije, frekvence in valovne dolžine.
Elektroni in protoni imajo kvantno lastnost, znano kot “spin”, ki ima lahko dve možni smeri. Ker je atom vodika sestavljen iz enega protona in enega elektrona, imata lahko dva vrtenja v isti ali v različnih smereh. V prvem primeru ima atom nekoliko več energije in bo sčasoma padel v nižje energijsko stanje, tako da elektron preklopi svoj spin. Dodatna energija se oddaja kot elektromagnetno sevanje in ker je energijska razlika majhna, ima sevanje dolgo valovno dolžino in nizko frekvenco: 21 centimetrov oziroma 1420.4 MHz. Majhna energijska razlika pomeni tudi, da bo kateri koli dani atom vodika v enakem spinalnem stanju v povprečju potreboval zelo dolgo – nekaj milijonov let –, da pade v stanje nasprotnega vrtenja; vendar je v galaksiji toliko hladnega vodika, da bo naenkrat dovolj atomov vodika oddalo 21-centimetrske radijske valove, da jih je mogoče zaznati.
21-centimetrsko črto sta leta 1951 odkrila Harold Ewen in Edward Purcell. Izkazalo se je, da je ključnega pomena v radijski astronomiji. Velik del naše galaksije je očem skrite z velikimi oblaki prahu, ki ne dovolijo, da bi svetloba zvezd prešla skozi njih. Radijskih valov pa ne ovirajo prašni oblaki in ker je v galaksiji veliko hladnega vodika, je galaksijo mogoče opazovati in preslikati z radijskimi emisijami na vodikovi črti. Radijska astronomija nam je z uporabo vodikove linije omogočila določitev velikosti, oblike in strukture naše galaksije.
Vodikova linija ima velik pomen tudi za iskanje zunajzemeljske inteligence (SETI). Zelo možno je, da bi tehnološko napredna civilizacija lahko uporabila to frekvenco za poskus komunikacije z drugimi civilizacijami. Frekvenca je bila uporabljena ne samo za poslušanje dohodnih sporočil, ampak tudi za njihovo pošiljanje. Vesoljski plovili Pioneer 10 in 11, ki jima je namenjeno, da se bosta neomejeno premikali po medzvezdnem prostoru, vsebujeta plošče, ki prikazujejo vodikovo črto, njeno valovno dolžino, njeno frekvenco in fiziko za njo. Predstavlja mersko enoto, za katero se domneva, da bi lahko vesoljci razumeli.